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基于LH32M0S3的高精度温度测量方案

温度是世界上最广泛测量的物理现象。温度传感器主要有热电偶、RTD、红外等。PT1000、热电偶、红外等作为工业领域广泛应用的测温元件，被大量应用于电厂、建材、煤化工、冶金、供热、工程机械热处理、煤质化验等测控领域。本文介绍了基于一款国产数模混合型SoC LH32M0S3的高精度温度测量方案，相较传统的测温方案，其测量电路成本大大降低，而测量精度显著提高。
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1. LH32M0S3简介

1.1. 结构框图

                                                                                        图1. LH32M0S3 结构框图

1.2. 功能特性

  • 内核
— 32 位 ARM® Cortex® -M0 CPU
— 最高 32MHz 工作频率
  • 存储器
— 最大128 Kbytes FLASH 存储器
— 4 Kbytes  SRAM 
  • 时钟模块
— 内部 32MHz RC 振荡器(HRC), 典型情况下精度±1%
— 内部 32KHz RC 振荡器(LRC), 典型情况下精度±10%
— 32.768KHz 低速晶体振荡器(LXT)
  • 工作环境
— VDD 电压: 2.2~3.6V
— VDDA 电压: 2.2~3.6V
— 温度范围: -40~105℃
  • 电源管理
— 低功耗模式: 睡眠，深度睡眠和掉电模式
— 支持上电/掉电复位 (POR/PDR)
— 支持低电压检测 (LVD)
  • 通用输入输出
— 35个 I/O 支持最高 32MHz 工作频率
— 支持中断向量
  • 高精度模数转换器(Sigma-Delta ADC)
— 24 bit 高精度 Sigma-Delta ADC
— 最大支持8个外部输入通道
— 支持单端、差分输入
— 1/2/4/8/16/32/64/128 倍可选增益
— 积分非线性（INL）最大30ppm
— ADC通道温漂 2ppm/℃
— 输出速率 8Hz~8kHz  
    ENOB≥19.5bit@30sps，PGA=128
    ENOB≥15.4 bit@8ksps，PGA=128
— 硬件自动切换ADC通道，自动轮询读ADC数据，中断通知MCU或DMA
— 自带参考电压，输出 1.8/2.35/2.45/2.8V 可选
— 集成温度传感器/电源电压检测通道
  • 数字比较器
— 快速响应的数字比较器
  • LCD Driver
— 集成4 COM ， 20 SEG 配置
— 集成charge pump
  • LED Driver
— 最大支持7 x 8 段
  • 一路蜂鸣器
  • 2个定时器
— 4路16bit 高级控制定时器（TIM1），带死区和互补控制的6通道 PWM 输出
— 4路16bit 通用定时器（TIM2），带PWM 输出
  • 可编程恒流源
— 8mA,10mA,12mA,20mA
— 支持PWM控制
  • OLED彩屏DMA加速模块
  • 串行单线调试 (SWD)
  • 封装
—LQFP48(7mmx7mm)
—SSOP24(8.2mmx5.3mm)
—QFN48(6mmx6mm)

 

2. 测量原理

2.1. 热电偶

热电偶温度传感器即镍铬－镍硅热电偶温度传感器，其由两种不同材料的金属导体组成闭合回路，一端放在被测介质中感受温度变化，另一端为冷端放置在恒定的工作环境中，当两端温度不同时，在回路中产生一定方向和大小的电动势。传感器基本构造如下图所示。

                                                                                        图2. 热电偶

上图中AI0和AI1为SoC的差分输入，ACM为SoC的基准输出可作为外部传感器的共模输入。当冷热两端温度不同时，传感器可在AI0和AI1上产生mV级信号，将此信号经过外部滤波电路后，送入SoC内部进行信号放大，然后进入24位高精度ADC系统结构内，其测量基准选用内部高精度基准，配置好ADC合适参数，即可完成温度范围所对应的电压值测量。而对于冷端补偿，可以使用SoC的内部硅温度传感器或者一款单总线数字温度传感器进行补偿。

2.2. 红外传感器

热电堆红外温度传感器中的热电堆是一种温度测量元件，它一般由两个介面原件组成，分别为Thermopile和Thermistor组成，元件和元件结构示意图如下：

                                                                                        图3. 热电堆红外温度传感器

热电堆红外传感器接收目标物的红外辐射，产生电压信号(Thermopile 两端信号)，该电压信号跟目标温度Tobj 和环境温度Tamb 的关系如下:

V=K(F(Tobj)-F(Tamb))

其中K 是校正常数；F 为函数，跟传感器有关。

①经LH32M0S3内置PGA 放大和高精度AD 数模转换后测出Thermopile两端信号。

②LH32M0S3对NTC 的电阻阻值进行采集(Thermistor 两端信号)，通过查找温度-电阻表的方法将环境温度Tamb 确定。

③通过计算或者查表得到目标物温度Tobj。

④得到目标温度后通过LH32M0S3驱动LCD 显示实际温度，完成红外测温到显示温度的过程。其他设置温度高低阈值及报警等功能可根据需求增加。

2.3. RTD

                                                                                        图4. RTD电阻网络

RTD引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，如上图所示铂电阻作为电桥的一个桥臂，将一根导线(r1)接到电桥的地，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，引线电阻的变化对测量结果没有影响。

经LH32M0S3内置PGA 放大和高精度AD 数模转换后测出MCU_A+和MCU_A-之间差值，通过该差值计算出PT电阻值，然后根据PT电阻值计算出温度值，得到温度后通过LH32M0S3驱动LCD 显示实际温度，完成测温到显示温度的过程。

3. 方案介绍

下图介绍了基于SoC LH32M0S3实现RTD，热电偶，红外测温方案，该种测量方案利用AVDD来驱动三线制RTD或利用SoC内部高精度基准输出作为热电偶的负端参考，将所得到的数据送入内部24位高精度ADC进行计算分析，而后通过软件特有的算法对测量得到的值进行温度换算，最后利用内部LCD Driver驱动外部LCD作为温度的测量显示。

方案中用到的SoC集成度高，工业级可靠性，丰富的数字接口SPI，I2C，UART，内部自带LCD，LED驱动，24位高精度ADC(ENOB>=19.5bit@30sps,128增益)，低温漂(2ppm/℃)可编程增益放大器，恒流源以及片上温度传感器等可以给各种应用提供丰富的可能性。

                                                                                        图5. 方案原理图

下图是demo板接PT1000和福禄克万用表同时测量水温示意图，从图中看出测出水温均为34.4℃。

                                                                                        图6. 实际效果图

测试9个温度点，绘制曲线如下图。

                                                                                        图7. 实测精度对比图

4. 总结

以上温度测量方案中所用到的芯片属于内部自带LCD驱动，24位高精度ADC，低温漂可编程增益放大器的32位工业级MCU类的SoC产品，不仅从电路上解决了传统测温方案的缺陷，提高了测量精度，而且测量电路的元器件大大的减少，这也正是SoC产品相比较普通MCU加ADC芯片的优势所在。

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